一种水平井固定导向叶轮式旋流射流磨钻头.pdf

本实用新型公开了一种水平井固定导向叶轮式旋流射流磨钻头，主要包括PDC钻头，其特征在于在去除了PDC钻头保径部位的排屑槽，并在PDC钻头内部加装了固定导向叶轮式旋转射流冲砂装置、高浓度湍流抽砂装置、射流粉碎装置。所述的固定导向叶轮式旋转射流冲砂装置，通过固定导向叶轮旋转射流喷嘴产生高速旋转射流，形成有利于清岩的井底旋流流场，改善井底岩屑的受力状况，提升井底清岩效率；所述的高浓度湍流抽砂装置基于抽砂泵的原理抽吸井底流体，减小井底压差，实现欠平衡而提高机械钻速；所述的射流粉碎装置基于射流磨的原理有效粉碎岩屑，提高携岩效率，从根本上消除水平井中的岩屑床，最终实现水平井安全高效钻进。

权利要求书
1.  一种水平井固定导向叶轮式旋流射流磨钻头，包括PDC钻头，其特征在于在去除了PDC钻头保径部位的排屑槽，并在PDC钻头内部加装了固定导向叶轮式旋转射流冲砂装置、湍流抽砂装置、射流粉碎装置；
所述的固定导向叶轮式旋转射流冲砂装置包括井底岩屑搅动与清洗流道、固定导向叶轮旋转射流喷嘴；井底岩屑搅动与清洗流道的入口与PDC钻头的主流道连通，井底岩屑搅动与清洗流道出口与固定导向叶轮旋转射流喷嘴的入口连接；固定导向叶轮旋转射流喷嘴为锥形喷嘴，由圆柱形内腔、导向叶轮、收缩加速段和直柱出口段四部分组成，导向叶轮固定在圆柱形内腔内，圆柱形内腔与收缩加速段及直柱出口段依次串联而成；固定导向叶轮旋转射流喷嘴的出口与PDC钻头端部排屑槽连接；
所述的湍流抽砂装置包括岩屑吸入管、负压腔；岩屑吸入管入口与PDC钻头端部排屑槽的外端连接，岩屑吸入管出口与负压腔连接，负压腔出口与混合室对接连通；
所述的射流粉碎装置包括反向高速射流喷嘴、混合室、喉管、岩屑解离加速管、粉碎靶体、粉碎仓、旁通；反向高速射流喷嘴与固定导向叶轮旋转射流喷嘴反向设置，反向高速射流喷嘴入口与PDC钻头的主流道连通，反向高速射流喷嘴的出口位于混合室内，混合室与喉管对接连通，喉管与岩屑解离加速管对接连通，岩屑解离加速管出口与粉碎仓连通，粉碎仓内安有粉碎靶体正对着岩屑解离加速管出口，粉碎仓与旁通连通，旁通为入口小出口大的扩散性圆管。

说明书一种水平井固定导向叶轮式旋流射流磨钻头
技术领域
本实用新型属于钻井与油气工程领域，具体涉及一种水平井固定导向叶轮式旋流射流磨钻头。
背景技术
众所周知，携岩是水平井和大位移井钻井的一个重要难题，如果岩屑携带效果达不到要求，会导致诸多问题发生，如高摩阻和高扭矩，沉砂卡钻，下套管与固井困难，钻具磨损严重，测井仪器下入作业困难等，甚至导致钻井作业可能被迫中止。然而，最近由中国石油大学(北京)研发的水平井安全高效泥浆钻井射流磨钻头(CN201310654747.4)和水平井安全高效气体钻井射流磨钻头(CN201310654718.8)不仅可以减小井底压差，提高机械钻速，还可基于射流磨原理将岩屑粉碎，达到液固悬浮流动状态，能从根本上消除水平井中的岩屑床。但是由于射流磨钻头反向喷嘴的分流作用使得井底钻井液流量有所削减，这样井底的钻头水眼个数减少，射流冲洗范围也明显减小。虽然射流磨钻头的湍流抽砂装置会减小井底压差，抽吸岩屑，但由于射流冲洗范围小，会影响井底岩屑的及时清理，从而造成部分岩屑的重复破碎，影响破岩效率。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种水平井固定导向叶轮式旋流射流磨钻头，通过固定导向叶轮式旋转射流冲砂装置，产生有利于清岩的井底旋流流场，改善井底岩屑的受力状况，提升井底清岩效率；通过湍流抽砂装置抽吸井底流体，减小井底压差，实现欠平衡而提高机械钻速；通过射流粉碎装置粉碎岩屑，提高携岩效率，从根本上消除水平井中的岩屑床。
为实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案如下：
一种水平井固定导向叶轮式旋流射流磨钻头，包括PDC钻头、固定导向叶轮式旋转射流冲砂装置、湍流抽砂装置、射流粉碎装置。
PDC钻头包括钻头体、主流道、保径、钻头端部排屑槽、PDC刀翼；PDC刀翼是水平井固定导向叶轮式旋流射流磨钻头切削岩石的工作部分，其表面布有PDC切削齿；钻头端部排屑槽布置在PDC刀翼之间；保径布置在钻头端部的外侧，保径没有布置排屑槽。
固定导向叶轮式旋转射流冲砂装置包括井底岩屑搅动与清洗流道、固定导向叶轮旋转射流喷嘴；井底岩屑搅动与清洗流道的入口与PDC钻头的主流道连通，井底岩屑搅动与清洗流道出口与固定导向叶轮旋转射流喷嘴的入口连接；固定导向叶轮旋转射流喷嘴为锥形喷嘴，由圆柱形内腔、导向叶轮、收缩加速段和直柱出口段四部分组成，导向叶轮固定在圆柱形内腔内，圆柱形内腔与收缩加速段及直柱出口段依次串联而成；固定导向叶轮旋转射流喷嘴的出口与PDC钻头端部排屑槽连接，固定导向叶轮旋转射流喷嘴数量根据钻头结构而定；固定导向叶轮式旋转射流冲砂装置是产生有利于清岩的井底旋流流场的关键机构，固定导向叶轮旋转射流喷嘴和钻头旋转联合作用产生井底旋流流场，改善井底岩石和岩屑的受力状况，大幅度提升井底清岩效率，提高钻进速度。
湍流抽砂装置包括岩屑吸入管、负压腔；岩屑吸入管入口与PDC钻头端部排屑槽的外端连接，岩屑吸入管出口与负压腔连接，负压腔出口与混合室对接连通；负压腔产生的负压通过岩屑吸入管抽吸井底流体使井底局部压力降低，减小压差，从而促进岩屑脱离井底并加速上返，局部欠平衡提高机械钻速。
射流粉碎装置包括反向高速射流喷嘴、混合室、喉管、岩屑解离加速管、粉碎靶体、粉碎仓、旁通；反向高速射流喷嘴与固定导向叶轮旋转射流喷嘴反向设置，反向高速射流喷嘴入口与PDC钻头的主流道连通，反向高速射流喷嘴的出口位于混合室内，混合室与喉管对接连通，喉管与岩屑解离加速管对接连通，岩屑解离加速管出口与粉碎仓连通，粉碎仓内安有粉碎靶体，粉碎靶体正对着岩屑解离加速管出口，粉碎仓与旁通连通，旁通为入口小出口大的扩散性圆管；射流粉碎装置是水平井固定导向叶轮式旋流射流磨钻头的关键机构，一方面射流粉碎装置的反向高速射流喷嘴出口产生负压，并通过混合室将负压传 递到负压腔，抽吸岩屑，另一方面射流粉碎装置基于高聚能射流的超细粉碎原理充分粉碎岩屑，大大提高岩屑的运移效率。
综上所述，与现有技术相比，本实用新型具有以下良好效果：
(1)由于目前射流磨钻头反向高速喷嘴的分流作用使得井底钻井液流量有所削减，井底射流的冲洗范围也明显减小，从而影响井底岩屑的及时清理，进一步会影响破岩效率。本实用新型的固定导向叶轮式旋转射流冲砂装置产生旋转射流，大大提高了井底射流的冲洗范围，旋转射流能够在井底产生较大的切向速度，从而增大井底漫流速度，促使破碎的岩屑迅速离开井底，大幅度提升井底清岩效率。
(2)本实用新型的固定导向叶轮式旋转射流冲砂装置产生的旋转射流与钻头旋转联合作用可产生有利于清岩的井底旋流流场，在井底形成有序的高压区和低压区分布，改善井底岩石和岩屑的受力状况，提高钻进速度。
(3)本实用新型的湍流抽砂装置利用抽沙泵的原理，抽吸井底流体，减小井底压差，实现井底局部欠平衡，提高机械钻速。
(4)本实用新型的射流粉碎装置基于高聚能射流的超细粉碎技术能够粉碎岩屑，大大降低水平井中岩屑的沉降末速，提高携岩效率，从根本上消除水平井中的岩屑床。
附图说明
图1为水平井固定导向叶轮式旋流射流磨钻头的示意图；
图2为水平井固定导向叶轮式旋流射流磨钻头沿图1左视示意图；
图3为水平井固定导向叶轮式旋流射流磨钻头沿图1右视示意图；
图4为水平井固定导向叶轮式旋流射流磨钻头沿图1中A-A的剖视示意图；
图5为水平井固定导向叶轮式旋流射流磨钻头沿图1中B-B的剖视示意图；
图6为水平井固定导向叶轮式旋流射流磨钻头的反向高速射流喷嘴示意图；
图7为水平井固定导向叶轮式旋流射流磨钻头的固定导向叶轮旋转射流喷嘴示意图；
图8为水平井固定导向叶轮式旋流射流磨钻头的固定导向叶轮旋转射流喷嘴中导向叶轮的示意图。
图中：1、PDC钻头，2、固定导向叶轮式旋转射流冲砂装置，3、湍流抽砂装置，4、射流粉碎装置；101、钻头体，102、主流道，103、保径，104、钻头端部排屑槽，105、PDC刀翼；201、井底岩屑搅动与清洗流道，202、固定导向叶轮旋转射流喷嘴，203、导向叶轮；301、岩屑吸入管，302、负压腔；401、反向高速射流喷嘴，402、混合室，403、喉管，404、岩屑解离加速管，405、粉碎靶体，406、粉碎仓，407、旁通。
具体实施方式
以下结合附图，说明本实用新型提出的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下：
水平井固定导向叶轮式旋流射流磨钻头，包括PDC钻头1、固定导向叶轮式旋转射流冲砂装置2、湍流抽砂装置3、射流粉碎装置4。
PDC钻头包括钻头体101、主流道102、保径103、钻头端部排屑槽104、PDC刀翼105；PDC刀翼105是水平井固定导向叶轮式旋流射流磨钻头切削岩石的工作部分，其表面布有PDC切削齿；钻头端部排屑槽104布置在PDC刀翼105之间；保径布置在钻头端部的外侧，保径没有布置排屑槽。
固定导向叶轮式旋转射流冲砂装置2包括井底岩屑搅动与清洗流道201、固定导向叶轮旋转射流喷嘴202；井底岩屑搅动与清洗流道201的入口与PDC钻头的主流道102连通，井底岩屑搅动与清洗流道201出口与固定导向叶轮旋转射流喷嘴202的入口连接；固定导向叶轮旋转射流喷嘴202为锥形喷嘴，由 圆柱形内腔、导向叶轮203、收缩加速段和直柱出口段四部分组成，导向叶轮203固定在圆柱形内腔内，圆柱形内腔与收缩加速段及直柱出口段依次串联而成；固定导向叶轮旋转射流喷嘴202的出口与PDC钻头端部排屑槽104连接，固定导向叶轮旋转射流喷嘴202数量根据钻头结构而定；固定导向叶轮式旋转射流冲砂装置是产生有利于清岩的井底旋流流场的关键机构，固定导向叶轮旋转射流喷嘴202和PDC钻头1旋转联合作用产生井底旋流流场，改善井底岩石和岩屑的受力状况，大幅度提升井底清岩效率，提高钻进速度。
湍流抽砂装置3包括岩屑吸入管301、负压腔302；岩屑吸入管301入口与PDC钻头端部排屑槽104的外端连接，岩屑吸入管301出口与负压腔302连接，负压腔302出口与混合室402对接连通；负压腔302产生的负压通过岩屑吸入管301抽吸井底流体使井底局部压力降低，减小压差，从而促进岩屑脱离井底并加速上返，局部欠平衡提高机械钻速。
射流粉碎装置4包括反向高速射流喷嘴401、混合室402、喉管403、岩屑解离加速管404、粉碎靶体405、粉碎仓406、旁通407；反向高速射流喷嘴401与固定导向叶轮旋转射流喷嘴202反向设置，反向高速射流喷嘴401入口与PDC钻头的主流道102连通，反向高速射流喷嘴401的出口位于混合室402内，混合室402与喉管403对接连通，喉管403与岩屑解离加速管404对接连通，岩屑解离加速管404出口与粉碎仓406连通，粉碎仓406内安有粉碎靶体405，粉碎靶体405正对着岩屑解离加速管404出口，粉碎仓406与旁通407连通，旁通407为入口小出口大的扩散性圆管；射流粉碎装置4是水平井固定导向叶轮式旋流射流磨钻头的关键机构，一方面射流粉碎装置4的反向高速射流喷嘴401出口产生负压，并通过混合室402将负压传递到负压腔302，抽吸岩屑，另一方面射流粉碎装置4基于高聚能射流的超细粉碎原理充分粉碎岩屑，大大提高岩屑的运移效率。
本实用新型的水平井固定导向叶轮式旋流射流磨钻头的工作过程如下：
在钻进过程中，水平井固定导向叶轮式旋流射流磨钻头旋转，使得PDC刀 翼105上的PDC切削齿切削岩石产生岩屑。同时高压钻井液由主流道102进入，一部分钻井液由反向高速射流喷嘴401喷出，形成高速射流，高速射流在混合室402产生负压。此负压经过混合室402传递到湍流抽砂装置3的负压腔302内，负压腔302内的负压通过岩屑吸入管301对井底流体和岩屑进行抽吸，从而降低井底压差，减小岩屑的压持效应，创造井底的欠平衡条件，提高机械钻速。另一部分钻井液进入固定导向叶轮式旋转射流冲砂装置2的井底岩屑搅拌与清洗流道201内，进而经过导向叶轮203，并由固定导向叶轮旋转射流喷嘴202喷出。固定导向叶轮旋转射流喷嘴202喷出的不对称高速旋转射流将井底岩屑冲击成高浓度的湍流，使湍流抽砂装置3的岩屑吸入管301能高效吸入井底岩屑与钻井液。井底岩屑与钻井液在反向高速射流喷嘴401的抽吸作用下经岩屑吸入管301、负压腔302进入射流粉碎装置4的混合室402。
射流粉碎装置4的反向高速射流喷嘴401喷出高聚能射流，在混合室402产生负压卷吸岩屑，井底岩屑与钻井液在混合室402和喉管403处被汇入高聚能射流，高聚能射流在解离加速管404解离带微裂缝的岩屑，实现解离破碎，相间及颗粒之间的碰撞、互磨产生的冲击压力和剪切力造成颗粒的破碎，并实现对岩屑的加速。高速岩屑高速冲击粉碎靶体405，利用瞬间冲击力、水楔粉碎岩屑。带微裂缝的细小岩屑在粉碎仓406经过多次反射碰撞进一步粉碎，粉碎后的岩屑与钻井液混合物在旁通407内速度降下来后排入环空。